DE10119354B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Vergleichmäßigung der Kokillenhauttemperatur über die Stranggießkokillenhöhe - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Stranggießen von Metall, insbesondere von Stahl, mit einer wassergekühlten Kupferkokille, die Kokillenkühlwasserkanäle (10.4) aufweist, durch die Kühlwasser strömt, wobei das Kokillenkühlwasser einen Eingangsdruck p₀ (15) und einen Ausgangsdruck p₁ (15.1) aufweist und die Kühlwasserströmungsrichtung (12, 24) in Stranggießrichtung verläuft, gekennzeichnet durch
hohe Gießgeschwindigkeiten (3) von bis zu 15 m/min, kontrollierte Einstellung der mittleren Wasserströmungsgeschwindigkeiten in den Kokillenkühlwasserkanälen (10.4) auf Werte > 3 m/s,
kontrollierter minimierter Druckverlust Δp des Kühlwassers in Gießrichtung vom Kokilleneingang zum Kokillenausgang vom Kanaleintritt (10.5) über die Kokillenkühlwasserkanäle zum Kanalaustritt (10.6) bei maximal 4 bar, wobei der Kühlwasser-Eingangsdruck p₀ (15) > 6 bar beträgt,
Ausbildung einer Grenzschicht mit laminarer Strömung (Nusselt-Schicht) im Kühlkanal (10.4), die auf Höhe des Gießspiegels (19.1) dünner als die Grenzschicht mit laminarer Strömung (Nusselt-Schicht) am Kokillenausgang (19.2) ist.

Description

• Beim Stranggießen, insbesondere von Stahl gleich welchen Formates wie Knüppel, Profile, Vorblöcke, Brammen oder Dünnbrammen sowie beim Gießen mit offenem Gießstrahl und Öl oder mit Tauchausguß, Tauchrohr und Gießpulver als Schmiermittel stellt der Wärmestrom, I (1) über die Kokillenhöhe (2) besondere Anforderungen an die Verfahrenstechnik und damit an die Ausführung der Kokillenvorrichtung. Besondere Aufmerksamkeit erfordert die Kokillenkühltechnik mit steigender Gießgeschwindigkeit (3), die bei Knüppel und Dünnbrammen inzwischen versuchsweise max. 15 m/min betragen kann.
• Zunächst werden der Stand der Technik, wie er in 1 dargestellt ist und die auftretenden Probleme mit der sich hieraus ergebenden Aufgabenstellung für die erfinderische Lösung näher beschrieben. Gleichzeitig wird der Stand der Technik beispielhaft an Hand einer Stranggießkokille beschrieben, bei der ein Tauchausguß (4) und Gießpulver (5) sowie Gießschlacke (5.1), die zur Isolation der Strangschale (6) vom Beginn ihrer Erstarrung im Gießspiegel (7) bis zum Kokillenausgang (8) dient, zum Einsatz kommen.
• Wie 1 deutlich macht, verläuft der Wärmestrom, I (1) von der Strangmitte (9) als Energiequelle durch die Strangschale (6) und beispielhaft durch den Schlackenfilm (5.2), sowie durch die Kokillenkupferplatte (10) mit der Heißseite, HF (10.1), durch die Kupferplattendicke (10.2) und durch die Kaltseite, CF (10.3) in die Energiesenke, d.h. in das Kokillenkühlwasser (11), das als Stand der Technik von unten nach oben, also vom Kokillenausgang (8) zum Kokilleneingang (12) bzw. zum Gießspiegel, ML (7) fließt.
• Weiterhin läßt das Bild 1 die Wärmestrombelastung, I* (13) der Kokille, ausgedrückt als MW/m², über die Kokillenhöhe (2) erkennen. Das Profil (13.1) dieser Kokillenwärmestrombelastung, I* (13) läßt ein deutliches Maximum (13.2) im Bereich des Gießspiegels ML (7) erkennen. Gleichzeitig weist die Kupferplattenhauttemperatur, T (14) in der Oberfläche der Kupferplattenheißseite, HF (10.1) über die Kokillenhöhe (2) ein Profil (14.1) auf, das ähnlich wie die Wärmestrombelastung, I* (13) verläuft. Das Profil (14.1) weist wie die Wärmestrombelastung (13) auch im Gießspiegel, ML (7) ein Maximum (14.2) auf. Um die Darstellung zu vereinfachen, sind die Wärmestrombelastung (13) der Kupferplattenheißseite (10.1) als gleichartige Kurven dargestellt.
• Die hohe thermische Belastung (14) der Kupferplatte (10) im Gießspiegelbereich (14.2) wird durch den Druckunterschied, Druckverlust, ΔP (15.2) des Kokillenkühlwassers (11), das mit dem Eingangsdruck P₀ (15) am Kokillenausgang (8) und dem Ausgangsdruck P₁ (15.1) am Kokilleneingang (12) beschrieben werden kann, deutlich.
• Dieser Druckverlust (15.2) führt zu einer Nusselt-Schicht, Grenzfläche mit einem Grenzflächenwiderstand (16), die am Kokillenausgang (8), Schnitt F (16.1) dünner ist als die Nusselt-Schicht (16.2) am Kokilleneingang (12), Schnitt ML. Die Nusselt-Schicht kann als laminate Strömungsschicht betrachtet werden, durch die der Wärmetransport vorwiegend über Leitung und nicht wie in der turbulenten Zone (17) vorwiegend über Zwangskonvektion stattfindet.
• Diese Erhöhung der Nusselt-Schichtdicke oder des Grenzflächenwiderstandes (16) über die Kokillenhöhe (2) steigt vom Kokillenausgang (8) bis zum Gießspie gel, ML (7) stetig an und führt mit der steigenden Wärmestromdichte der Kokille, I* (13) zu einer erhöhten thermischen Belastung (14) der Kokillenplattenheißseite, HF (10.1) mit ihrem Maximum (14.2) im Gießspiegel, die zu einer Schädigung bzw. kurzen Standzeit der Kupferplatte (10) führt. Diese kurze Kupferplattenstandzeit tritt durch Schädigungen der Kupferplattenheißseite HF (10.1) im Maximum (14.2) des Wärme- oder Temperaturprofils, d.h. im Bereich des Gießspiegels, ML (7) auf. Diese Schädigungen können sich deutlich machen durch
• • Erweichung des kaltgewalzten Kupfers und/oder
• • Rißbildung der Kupferplatte im Gießspiegelbereich
und führt gleichzeitig in der Oberfläche der Strangschale (6) zur erhöhten Gefahr der Bildung von beispielsweise Längsrissen.
• Die DE 34 11 359 A1 betrifft eine Stranggießkokille für Rund- bzw. Knüppelquerschnitte zum Vergießen von Stahl. Hierzu ist ein Kokillenrohr mit einem Kühlmittelkasten bzw. einem Kühlmittelleitrohr umgeben, wobei zwischen Kokillenrohr und Kühlmittelleitrohr ein das Kühlmittel führender Kühlmittelringspalt ausgebildet ist. Das Kühlmittel, z. B. Kühlwasser, strömt durch diesen Kühlmittelspalt von oben nach unten, d.h. in Gießrichtung.
• Aufgabe der Erfindung ist es nun, das Verfahren der Kokillenkühlung so zu verändern, dass die hohe thermische Belastung T (14.2) der Kokille im Gießspiegel (7) unterdrückt bzw. vermieden werden kann.
• Eine unerwartete, für den normalen Fachmann nicht sofort erkennbare Lösung ist in den Patentansprüchen näher beschrieben.
• Die Erfindung wird beispielhaft mit Hilfe der 1 und 2 näher beschrieben.
• 1 stellt den Stand der Technik dar, der bereits im Detail diskutiert worden ist.
• 2 macht im Vergleich zu 1 die Erfindung mit ihrer unerwarteten Lösung zur Vergleichmäßigung der thermischen Belastung (14.2) der Kupferplattenheißseite, HF (10.1) deutlich.
• Durch betriebliche Messungen und mathematisch-physikalische Simulation konnte nachgewiesen werden, dass durch die Umkehrung der Strömungsrichtung des Kokillenkühlwassers (18) von oben nach unten sich eine Nusselt-Schicht (19) im Gießspiegel, ML (19.1) ausbildet, die kleiner als die Nusselt-Schicht (19.2) am Ko killenausgang (8) ist. Hierdurch ergibt sich ein geringerer Grenzflächenwiderstand (19) im Gießspiegel (7), womit die thermische Belastung (20) sich über die Kokillenhöhe (2) vergleichmäßigt und die hohe Belastung der Kupferplattenheißseite, HF (10.1) vermieden werden kann und sich ein relativ gleichförmiges Temperaturprofil (20.1) ohne Maximum einstellt.
• Gleichzeitig läßt die 2 erkennen, dass die Wärmestrombelastung der Kokille, I* in 1. Näherung unverändert gleich gegenüber dem Stand der Technik bleibt.
• Das Bild macht auch deutlich, dass durch das Umdrehen der Strömungsrichtung des Kokillenkühlwassers (18) der hohe Druck P₀ (15) im Gießspiegel, ML (7) voll zur Wirkung kommt und hierdurch außerdem ein höherer Verdampfungsdruck des Wassers (Gasfilmbildung) gegenüber dem Kokillenausgang (8) mit dem Druck P₁ (15.1) sich einstellt. Dieser höhere Druck des Wassers im Gießspiegel (7) erhöht außerdem die Sicherheit vor einer möglicherweise eintretende Wassergasblasen- oder Wassergasfilm-Bildung (Leidenfrost-Effekt) im Vergleich zum Stand der Technik.
• Die Erfindung, gekennzeichnet im wesentlichen durch die Umkehrung der Wasserrichtung von oben nach unten statt wie bisher von unten nach oben, führt zu den folgenden Vorteilen wie einer Vergleichmäßigung der Wärmestromdichte im Gießspiegel (7) über die Kokillenbreite, einer Vergleichmäßigung der thermischen Belastung (20.1) der Kupferplatte (10) und besonders der Kupferplattenheißseite, HF (10.1) über die Kokillenhöhe (2). Diese Vorteile führen als Folge zu längeren Kokillenstandzeiten und verbesserter Strangoberfläche durch im wesentlichen Vermeidung von Längsrissen der Kupferplattenoberfläche (10) im Gießspiegelbereich und in der Oberfläche der Strangschale (6).

1

Wärmestrom I vom Strang durch die Kokillenplatte in de Kokillenwasser

2

Kokillenhöhe

3

Gießgeschwindigkeit von max. 15 m/min

3.1

Gießrichtung

4

Tauchausguß

5

Gießpulver

5.1

Gießschlacke

5.2

Gießschlackenfilm

6

Strangschale

6.1

Schmelze

7

Gießspiegel ML

8

Kokillenausgang

9

Strangmitte

10

Kokillenkupferplatte

10.1

Kupferplattenheißseite, HF, der Strangschale zugewandt

10.2

Kupferplattendicke

10.3

Kupferplattenkaltseite, CF, dem Kokillenwasser zugewandt

10.4

Kokillenkühlwasserkanäle, ausgebildet als Schlitze oder Bohrungen, 10–

80% Wasserbedeckung oder Ringspalt, 10% Wasserbedeckung

11

Kokillenkühlwasser, Fließrichtung von unten nach oben

12

Kokilleneingang

13

Wärmestrombelastung der Kokille I* in MW/m²

13.1

Wärmestromprofil über die Kokillenhöhe (2)

13.2

Maximum des Wärmeprofils im Bereich des Gießspiegels ML (7)

14

Kupferplattenhauttemperatur T, Temperaturbelastung, thermische Bela

stung

14.1

Temperaturprofil über die Kokillenhöhe (2)

14.2

Maximum des Temperaturprofils im Bereich des Gießspiegels, ML (7)

15

Eingangsdruck P₀ des Kokillenkühlwassers, minimal 6 bar

15.1

Ausgangsdruck P₁ des Kokillenkühlwassers

15.2

Druckunterschied ΔP = P₀ – P₁, Druckverlust max. 4 bar

16

Nusselt-Schicht, Grenzflächenwiderstand, laminate Grenzschicht, T <

2.300, x², Wärmetransport überwiegend über Leitung, Wärmeströmungs

richtung von unten nach oben

16.1

Nusselt-Schicht am Schnitt F

16.2

Nusselt-Schicht am Schnitt ML > 16.1

17

Turbulente Zone mit Wärmetransport über Zwangskonvektion, Reynolds-

Zahl R > 2.300, x³ Wärmetransport überwiegend über Zwangskonvektion

18

Strömungsrichtung des Kokillenkühlwassers von oben nach unten bzw.

vom Kokilleneingang (12) zum Kokillenausgang (8)

19

Nusselt-Schicht, Grenzflächenwiderstand bei der Wasserströmungsrichtung

von oben nach unten (18)

19.1

Nusselt-Schicht im Gießspiegel (7) ML-Schnitt

19.2

Nusselt-Schicht am Kokillenausgang (8) – Schnitt F > (19.1)

20

Thermische Belastung der Kupferplattenheißseite HF (10.1) bei der Strö

mungsrichtung des Kokillenkühlwassers von oben nach unten (18)

20.1

relativ gleichförmiges Temperaturprofil über die Kokillenhöhe (2) bzw. ther

mische Belastung

F

Schnitt der Wärmeströmung aus Kokillenausgang (8), Strömungsprofile mit

Nusselt-Schicht (16.2)

ML

Schnitt der Wasserströmung im Gießspiegelbereich, ML, Strömungsprofil

mit Nusselt-Schicht (16.2).

Claims (5)

1. Verfahren zum Stranggießen von Metall, insbesondere von Stahl, mit einer wassergekühlten Kupferkokille, die Kokillenkühlwasserkanäle (10.4) aufweist, durch die Kühlwasser strömt, wobei das Kokillenkühlwasser einen Eingangsdruck p₀ (15) und einen Ausgangsdruck p₁ (15.1) aufweist und die Kühlwasserströmungsrichtung (12, 24) in Stranggießrichtung verläuft, gekennzeichnet durch hohe Gießgeschwindigkeiten (3) von bis zu 15 m/min, kontrollierte Einstellung der mittleren Wasserströmungsgeschwindigkeiten in den Kokillenkühlwasserkanälen (10.4) auf Werte > 3 m/s, kontrollierter minimierter Druckverlust Δp des Kühlwassers in Gießrichtung vom Kokilleneingang zum Kokillenausgang vom Kanaleintritt (10.5) über die Kokillenkühlwasserkanäle zum Kanalaustritt (10.6) bei maximal 4 bar, wobei der Kühlwasser-Eingangsdruck p₀ (15) > 6 bar beträgt, Ausbildung einer Grenzschicht mit laminarer Strömung (Nusselt-Schicht) im Kühlkanal (10.4), die auf Höhe des Gießspiegels (19.1) dünner als die Grenzschicht mit laminarer Strömung (Nusselt-Schicht) am Kokillenausgang (19.2) ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kokille mit einem Oszillator gegenüber dem Strang in Schwingung versetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strang mit einem Oszillator gegenüber der Kokille in Schwingung versetzt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stahlschmelze unter Reoxidationsschutz in die Kokille eingeleitet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Tauchausguss (4) und Gießpulver (5) zur Bildung von Gießschlacke (5.1) und einem Gießschlackenfilm (5.2) zum Einsatz kommen.